唐口煤矿采空区注氮驱替瓦斯技术应用

邹宗旺， 张继涛

(山东唐口煤业有限公司， 山东 济宁 272000)

1 前言

我国大部分煤矿为高瓦斯矿井，因此在开采结束后采空区内部仍然留有大量高浓度瓦斯，具有极大的安全隐患。已开采空区极易受到临近采空区巷道掘进的影响而发生相互贯通，此时新鲜风流不断涌入采空区，而瓦斯不断溢出至掘进工作面，极易发生掘进工作面瓦斯超限以及采空区遗煤自燃的危险。瓦斯抽采是瓦斯治理的根本措施[1-2]。进行采空区低负压瓦斯抽采会在工作面、采空区抽采区域间形成漏风动力及漏风通道，将增大采空区漏风，加速遗煤氧化进程。采空区注氮驱替瓦斯技术是防治自燃和抑制瓦斯爆炸的有效技术手段，因此，本文就注氮驱替瓦斯技术针对唐口煤矿6309巷道掘进期间进行了应用，分析了注氮驱替瓦斯技术的原理、效果及其实用性。

2 工程概况

6308综采工作面是唐口煤矿六采区第八个综放工作面，该工作面于2017年回采结束并密闭。6309轨道巷掘进工作面为沿空掘进工作面，巷道向北5 m为6308采空区,6309轨道掘进期间紧临6308采空区。6308与6309工作面位置如图1所示。

图1 6308与6309工作面位置图

6309轨道在施工期间，由于所留煤柱过窄，在掘进过程中产生的采动裂隙极易与6308采空区相互贯通，从而使得6308工作面瓦斯通过采动裂隙不断渗透至巷道掘进工作面，同时使得巷道掘进期间工作面瓦斯浓度超限以及6308采空区遗煤发生复燃。

3 轨道巷掘进期间危险因素分析

3.1 煤柱危险性分析

6308采空区与6309轨道巷道仅留有5 m煤柱，煤柱标高990 m，煤柱在高地压高应力的情况下极易发生破碎。同时，轨道巷道掘进期间，产生的高地压与高应力互相重合，进而加剧了煤柱中裂隙的扩展。因此，在6309轨道巷道掘进期间，煤柱内会发生压酥破碎的现象，从而产生漏风通道。

3.2 6308采空区遗煤自燃危险性分析

主采煤层为Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为62天。且煤层成分以亮煤为主，煤层整体易破碎，其氧化面积增大，与氧气接触后放出大量热。且伴随着深度的增加，地温逐渐增加，6308工作面埋深近千米，其采空区后部温度为30 ℃～40 ℃。同时，松散煤体蓄热性好，热量不易散失，易形成自燃点。

3.3 6308采空区瓦斯含量丰富

6308煤层瓦斯含量为5.6 m3/t，受采动影响，6308工作面煤层不断破碎。并且煤层成分为亮煤，开采后煤体破碎程度更明显。在工作面撤面后，采空区仍留有大量遗煤，破碎遗煤瓦斯不断解吸附，并充满采空区。当煤柱受采动应力影响而导致煤柱压酥破碎后，6308采空区内部瓦斯极易通过煤柱漏风通道涌入6309轨道巷掘进工作面，从而威胁工作面作业人员的安全。

4 注氮驱替技术原理

氮气是一种无色、无味、无臭的气体，其性质稳定，不助燃、不易燃，不与煤发生发反应，是井下常见的一种用于防灭火方面的惰性气体。井下所需N2，由制氮机DM600分离氧气而得。其原理为利用空气中不同组分在高分子材料上的扩散系数大小不同而达到气体分离的物理过程[3-5]。

制得氮气通过管路或气体扩散形式，利用制氮时的压力，将氮气注入6308采空区内部。其作用机理:①注入过量氮气的过程中，同时采用瓦斯抽放泵不断对注氮采空区进行气体抽放，将易爆的高浓度瓦斯置换出来，达到防止瓦斯爆炸以及防治高浓度瓦斯向轨道掘进工作面过量溢出的目的；② 氮气具有降温、隔离氧气的作用，因此对采空区火灾具有抑制作用。

采用数值模拟研究氮气注入采空区后对火灾的抑制情况如图2所示。初始流速为500 m/s，注入压力0.85 MPa。液氮注入后采空区内温度迅速下降。由2图可知，液氮注入1 h后距离采空区3 m范围内的温度降到50 ℃以下。氮气灭火、降温效果明显。

图2 采空区注入氮气后1 h温度场云图

5 注氮驱替技术方案

采空区注入氮气与抽出气体混合量为1∶1.2.根据DM- 500注氮机每小时制氮量500 m3，瓦斯抽放泵每小时抽气量为1 800 m3计算，确定每班注入采空区氮气4 h，采空区瓦斯抽放1.5 h。

氮气采用煤炭科学研究总院抚顺分院生产的DM- 500膜分离注氮机制备而得，注氮压力0.85 MPa，氮气流量500 m3/h[6-9]。注氮机位于原6308施工巷道进风流中。经由以下线路注入6308采空区，管路直径尺寸为50 mm。M- 500制氮装置由空气预处理段、空压机段、膜分离段三部分组成。移动制氮设备主要部件图如图3所示。

图3 移动制氮设备的三大主要组件图

1)巷道里段掘进期间注氮

注氮线路：注氮机→6308施工道→6309一路联络巷→6309皮带巷道→6309二路联络巷→6309轨道巷道里段→注氮钻孔→6308采空区[10]。

2)巷道外段掘进期间注氮

注氮线路：注氮机→6308施工道→6309轨道巷道外段→注氮钻孔→6308采空区。

瓦斯抽放泵站安设在原6308施工巷道进风流中，采用ZWY- 60/90型水环真空泵，极限真空度150 hPa，最大抽气量为60 m3/min，电机功率90 kW。

高位钻孔布置方案如下：当6309轨道巷道从里段掘进(从6309二路联络巷向里沿空掘进)，高位钻孔布置方法为第一个高位钻孔从6309二路联络巷门口向里50 m施工，依次向里每隔200 m施工一个高位钻孔。当6309轨道巷道外段开始掘进时，高位钻孔布置方式为外段第一个钻孔从6309第一联络巷门口向里50 m施工，依次向里每隔200 m施工一个高位钻孔。

6 注氮驱替技术效果分析

通过观察6309掘进工作面回风隅角注氮前后瓦斯日报表，可以清楚的看到，注氮前后瓦斯和一氧化碳浓度随着注氮量的提高被逐步驱替。注氮前后灾害气体浓度对比如图4所示。由图可知，注氮后，上隅角CO、瓦斯浓度出现下降的趋势，下降后均为出现超限现象，CO2浓度整体下降。通过数据统计分析，CO浓度下降了78%，瓦斯浓度下降了76%，CO2浓度下降了到0，下降率为100%。综上所述，注氮后工作面上隅角未出现灾害气体超限现象。

图4 注氮前后灾害气体浓度对比曲线图

7 结论

通过本次6308采空区氮气驱替技术的应用，对6308采空区共抽放瓦斯300万m3，CO 100万m3，并注氮450万m3，注氮后进行了相关效果考察，得到以下结论：

(1)完整陈述了注氮工艺流程，通过数值模拟分析了注氮后有效抑制了距离工作面3 m范围内的自燃火灾。

(2)进行注氮工艺实施后，进行了效果考察，结果显示：注氮后CO浓度降低了CO浓度下降了78%，瓦斯浓度下降了76%，CO2浓度下降了100%。

综上所示，注氮灭火工艺有效解决了6309工作面自燃发火的情况，保证了矿井安全生产。